基于UG的懸式絕緣子綜合測試裝置有限元分析

孫奇慧 ，朱 軻 ，濮峻嵩 ，蔡 鋼 ，劉 曦 ，朱 軻 ，鄧 濤 ，陳正雄

（1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610041；2.四川蜀能電力有限公司高新分公司，四川 成都610041）

0 引言

盤形懸式瓷和玻璃絕緣子作為輸電線路的重要材料，使用在世界各地的高壓、超高壓和特高壓輸電線路上，為各國輸電線路安全運(yùn)行提供了可靠的保障。李釗、袁田[1]等人研究了不溶物在盤形懸式絕緣子污穢試驗(yàn)中的影響，對型號為CA-872EX、FC12P/146和FC120/146盤形絕緣子進(jìn)行了人工污穢試驗(yàn)(固體層法）。畢睿華、張濤[2]等人計(jì)了一種工作人員站于配電構(gòu)架上手持清掃盤形懸式絕緣子的氣動帶電清掃裝置。Liu，Yong；Farzaneh[3]等研究了漏電流（LC）的非線性特性，分析和監(jiān)測了被冰覆蓋的懸式絕緣子的交流閃絡(luò)性能。作為絕緣子使用和檢測單位，各科研單位主要還是以傳統(tǒng)檢測手段為主，依靠人工的方式來進(jìn)行絕緣子尺寸參數(shù)及拔銷拉力的測量。但是這種測量方式難免存在一定的人為誤差，會出現(xiàn)測量精度低等問題，因此設(shè)計(jì)了一種懸式絕緣子綜合測試裝置。為驗(yàn)證這種測試裝置的框架及關(guān)鍵零部件是否滿足強(qiáng)度及設(shè)計(jì)測量的精度要求，應(yīng)用UG對其進(jìn)行了有限元分析。

1 懸式絕緣子測試裝置簡介

懸式絕緣子測試裝置可應(yīng)用于絕緣子使用單位的到貨驗(yàn)收、第三方機(jī)構(gòu)的權(quán)威檢測及絕緣子生產(chǎn)廠家的出廠檢驗(yàn)中。裝置引入了激光測距及力學(xué)傳感技術(shù)，優(yōu)化整合了檢測方法及程序，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及易讀性，縮短了試驗(yàn)時間、提高了檢測效率。

懸式絕緣子的測量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由測量部分和框架結(jié)構(gòu)這兩大部分構(gòu)成。其中測量部分又由絕緣子上、下固定端、鎖緊銷拉力測試裝置、激光測距裝置、電機(jī)及減速裝置這幾部分構(gòu)成。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 懸式絕緣子測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 整體框架

1.1.1 整體框架結(jié)構(gòu)

框架主要由40 mm的矩管焊接而成，方矩管即能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度又能減輕框架本身的重量，且價格相對便宜，是構(gòu)成框架的一種很好的構(gòu)件。為了便于安裝，亦可采用拼接的方式。在安裝激光測距裝置及安裝止推軸承座和直線軸承（帶法蘭）的位置鋪設(shè)5 mm的鋼板。其整體框架示意圖如圖2所示。

圖2 整體框架示意圖

1.1.2 框架受力分析

當(dāng)測試裝置處在工作狀態(tài)，絕緣子被拉緊時，框架的橫梁和底板分別受到拉力F1和F2，拔銷被拉出時，側(cè)向梁受到拉力F的作用，同時產(chǎn)生一個對絕緣子的拉力，這三個力就是框架所受到的主要力載荷，通過對測試裝置框架進(jìn)行簡化，并分析其受力情況，得到如圖2、圖3所示的框架受力分析圖。

圖3 框架受力分圖

進(jìn)行有限元分析時，式中：F是F′一對作用力與反作用力，大小相等方向相反，因側(cè)向電動推桿拉力最大拉力為500 N，故其最大值取為500 N；因豎直方向電動推桿最大拉力為1 000 N，絕緣子最大重力為500 N，故F1和F2最大分別取1 500 N和1 000 N。

注：由于框架上方斜支撐質(zhì)量占比較小，所以可以將框架近似看出對稱結(jié)構(gòu)，重力G與地面對框架的支撐力N，拉力F1和F2在同一條直線上，同時包括F和F′，所有的力交于一點(diǎn)，由此構(gòu)成平面匯交力系，所以合力矩 M（o）＝ 0。

2 框架及關(guān)鍵零部件有限元分析

2.1 測量的精度要求

如表1所示為絕緣子測量精度要求表，由表可知，絕緣子的尺寸需要測量盤徑、結(jié)構(gòu)高度、軸向偏差以及徑向偏差。其誤差要求均為±0.5 mm。

表1 測量精度要求表

2.2 整體框架仿真

2.2.1 建立模型和劃分網(wǎng)格

為了保證本裝置的測量精度和驗(yàn)證其機(jī)構(gòu)安全性及合理性，通過對測試臺框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，首先對框架進(jìn)行簡化，簡化后的模型的強(qiáng)度比現(xiàn)有模型低，若簡化后的模型滿足要求，則本模型亦滿足要求。打開UG NX，在新建分類里選擇“模型”建立名稱為“The framework”的prt文件，進(jìn)入建模環(huán)境，使用相關(guān)建模命令建立如圖4所示的框架模型圖。進(jìn)入高級仿真模塊，選擇新建FEM命令，建立名稱為The framework_fem1.fem的文件，在材料庫里找到U20402（40#鋼），并指派給實(shí)體。物理屬性設(shè)置里，材料選擇材料“Iron_40”。網(wǎng)格收集器命令，實(shí)體屬性選擇“PSOLID”。選擇3D四面體網(wǎng)格，在網(wǎng)格參數(shù)一欄，點(diǎn)擊自動單元大小，顯示20.1，將其修改為20，同時在目標(biāo)收集器一欄選擇solid（1），完成網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

圖4 簡化后的框架模型圖

圖5 框架網(wǎng)格圖

2.2.2 施加約束和力載荷

約束類型選擇“固定約束”，選擇模型底邊緣面，完成約束創(chuàng)建。載荷類型選擇“力”，分別在框架的橫梁、底板、側(cè)向梁的相應(yīng)位置添加力載荷，設(shè)置完畢，力載荷圖如圖6所示。

圖6 力載荷圖

2.2.3 求解及結(jié)果分析

經(jīng)過求解，可以得到如下所示的結(jié)果。如圖7所示，框架在承受載荷力的情況下，x方向最大變形量為0.893 mm，因?yàn)檫@是在完成絕緣子尺寸測量后，進(jìn)行拔銷拉力測量時框架的變形量，也就是說進(jìn)行絕緣子測量時，x向不受力的作用，x向變形量為零，同時拔銷拉力在x向產(chǎn)生的變形屬于彈性變形范疇，考慮到后期材料及結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，以及可以通過調(diào)整測量參數(shù)等手段進(jìn)一步提升測量精度，故x方向的偏差不會對測量結(jié)果造成影響，目前的設(shè)計(jì)符合要求。

圖7 X方向應(yīng)變云圖

如圖8所示，框架在承受載荷力的情況下，y方向最大變形量為0.0 719 mm，遠(yuǎn)小于0.5 mm的精度要求，且考慮到后期材料及結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)，以及可以通過調(diào)整測量參數(shù)等手段進(jìn)一步提升測量精度，故y方向的偏差不會對測量結(jié)果造成影響，目前的設(shè)計(jì)符合要求。

圖8 Y方向應(yīng)變云圖

如圖9所示，框架在承受載荷力的情況下，z方向最大變形量為0.429 mm，實(shí)際測量過程中變形量會小于此值。由于本裝置的測量誤差來自框架受力變形及激光傳感器，激光傳感器選擇歐姆龍ZX1-LD300A61 2M傳感器，其精度為30 μm。變形量和激光傳感器總誤差之和為0.459 mm，小于0.5 mm的精度要求，考慮到后期會對材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，并且可以通過調(diào)整測量參數(shù)等手段進(jìn)行補(bǔ)償，故z方向的偏差不會對測量結(jié)果造成影響，故現(xiàn)目前的設(shè)計(jì)符合要求。

圖9 Z方向應(yīng)變云圖

2.3 絕緣子上固定端上滑桿有限元仿真

絕緣子上固定端上滑桿將承受拉力，為了防止上滑桿的變形量過大對測試結(jié)果的影響，需對上滑桿進(jìn)行有限元分析。材料選用U20402（40#鋼），由于選用了直線軸承和推力滾子軸承，且轉(zhuǎn)速不高，徑向形變量對測試結(jié)果無影響，所以這里主要考慮其軸向變形情況和受應(yīng)力的情況。對其進(jìn)行有限元分析的結(jié)果（由于該軸只受拉力的作用，比較簡單，不再贅述有限元分析過程）如下所示：

如圖10所示，上拉桿在承受載荷力的情況下，z方向最大變形量為1.361e-4mm，變形量很小，不會對測量精度造成影響，故現(xiàn)目前的設(shè)計(jì)符合要求。

圖10 Z方向應(yīng)變云圖

如圖11所示，上拉桿在承受載荷力的情況下，最大主應(yīng)力為4.958 MPa，通過查閱資料可知40#鋼最大屈服強(qiáng)度為355 MPa，故現(xiàn)目前的設(shè)計(jì)符合要求。

圖11 最大主應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

綜上所述，通過運(yùn)用UG NX高級仿真模塊，對懸式絕緣子綜合測試裝置整體框架及關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，得出其滿足強(qiáng)度及測量精度要求，并為后續(xù)工程應(yīng)用提供了參考，也為懸式絕緣子綜合測試裝置以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)和思路。